Dissalazione ibrida: il meglio dei due mondi? (2023)

Come molte nuove idee tecnologiche, ci sono voluti oltre 20 anni per vedere i sistemi ibridi implementati su larga scala e adottati dall'industria della desalinizzazione, oggi localizzata principalmente negli Stati del Golfo del Medio Oriente.

Il concetto di desalinizzazione ibrida è la combinazione di due o più processi al fine di fornire migliori soluzioni ambientali e un prodotto a basso costo dell'acqua, rispetto a ciascun processo autonomo di per sé.

Gli impianti di dissalazione elettrica a duplice scopo utilizzano l'energia termica estratta o esaurita dalle centrali elettriche sotto forma di vapore a bassa pressione per fornire apporto di calore agli impianti di dissalazione termica per processi di distillazione flash multistadio (MSF) o multieffetto (MED). L'energia elettrica può essere efficacemente utilizzata anche nei processi di desalinizzazione azionati elettricamente come l'osmosi inversa (RO) e la distillazione a compressione di vapore (VCD).

I primi suggerimenti per la desalinizzazione ibrida erano basati sull'eliminazione del requisito per un secondo passaggio al processo RO in modo che il prodotto RO a salinità più elevata potesse essere combinato con il prodotto di migliore qualità da un impianto MSF. Questa è l'applicazione più semplice della desalinizzazione ibrida. Da allora, sono stati proposti altri concetti per la desalinizzazione ibrida. Oggi, sebbene RO possa produrre solidi totali disciolti (TDS) potabili in un solo passaggio, la miscelazione consente una soluzione semplice laddove gli standard nazionali richiedono bassi livelli di boro.

Il sistema ibrido ha recentemente ricevuto un'attenzione significativa con l'implementazione della dissalazione e delle centrali elettriche a Fujairah I e Fujairah II negli Emirati Arabi Uniti (EAU), Ras Al-Khair nel Regno dell'Arabia Saudita e Az-Zour South in Kuwait. Questo è così come l'attuale competizione in corso per l'ibrido di potenza e la stazione di desalinizzazione MSF-RO o MED-RO in Qatar.

Risparmio energetico con sistemi ibridi
In considerazione della drammatica preoccupazione per le condizioni climatiche globali e di un aumento dei prezzi del carburante superiore a 90 dollari USA al barile, i sistemi ibridi (RO + distillazione) offrono risparmi significativi nei costi del carburante rispetto all'opzione di sola distillazione.

Nel caso base per una desalinizzazione MSF da 455.000 m3/giorno e un impianto di generazione di energia elettrica da 400 MW, il consumo di carburante è di 191 tonnellate/ora e il fabbisogno di costi annuali supererà i 735 milioni di dollari. In confronto, un impianto di desalinizzazione ibrido da 455.000 m3/giorno basato su 60% termico e 40% RO funzionerà con un consumo di carburante ridotto di sole 115 tonnellate/ora. Ciò equivale a un costo di 443 milioni di dollari all'anno.

Questo sistema ibrido riduce l'impronta di anidride carbonica del 40% e la differenza annuale del costo del carburante è di quasi 300 milioni all'anno, che ripagherà il Capex totale della desalinizzazione in meno di tre anni. Ovviamente, nel caso base, produciamo più energia e, in una certa misura, questo compensa il costo aggiuntivo, ma questo presuppone che abbiamo bisogno di energia.

In molti paesi, in particolare in Medio Oriente, il picco di richiesta di energia si verifica in estate e poi scende drasticamente al 30-40%. Al contrario, la domanda di acqua desalinizzata è pressoché costante durante tutto l'anno. Ciò crea una situazione in cui oltre il 50% della produzione di energia non viene utilizzato. Questa disparità di domanda tra elettricità e acqua può essere corretta deviando l'eccesso di elettricità disponibile alla produzione di acqua.

C'è anche la sfida che l'acqua può essere immagazzinata, mentre l'immagazzinamento dell'elettricità non è pratico. In questo caso, l'elettricità in eccesso può essere deviata alla produzione di acqua incorporando l'osmosi inversa dell'acqua di mare (SWRO) e/o la compressione del vapore ad azionamento elettrico con la tecnologia a vapore a bassa pressione di MSF o MED. Un metodo per sfruttare la capacità di potenza inattiva è l'uso di impianti RO o VCD azionati elettricamente in combinazione con Desalination Aquifer Storage Recovery (DASR) sia per la media della capacità di desalinizzazione, per lo stoccaggio strategico ed economico di acqua dolce sotterranea o per migliorare la qualità della regione bacini di acque sotterranee.

Ibrido: la nuova alternativa
Nel semplice processo di desalinizzazione ibrido MSF/RO o MED/RO, un impianto RO di acqua di mare è combinato con un impianto di desalinizzazione/energia termica a doppio scopo nuovo o esistente, con conseguenti numerosi vantaggi, tra cui l'estensione della durata della membrana RO.

In generale, l'idea ibrida consente di disaerare parte degli scarti di refrigerante riscaldato dell'impianto di distillazione, utilizzando vapore a bassa pressione proveniente dall'impianto di distillazione (per ridurre la corrosione e il cloro residuo) e utilizzato come alimentazione per l'impianto SWRO. La temperatura più elevata dell'alimentazione migliora le prestazioni della membrana (il flusso, a pressione costante, aumenta dell'1,5–3% per ogni grado C).

Ciò è particolarmente importante durante l'inverno, quando la temperatura dell'acqua di mare può scendere fino a 15°C. Il distillato dell'impianto MSF o MED, a meno di 20 ppm TDS, viene miscelato con il prodotto dell'impianto SWRO, rendendo possibile soddisfare gli standard di acqua potabile per le massime concentrazioni di TDS e cloruro con una maggiore salinità del prodotto vegetale SWRO. Ciò, a sua volta, significa che gli impianti SWRO possono funzionare con rapporti di conversione più elevati, l'acqua di mare più calda riduce il consumo di energia e prodotti chimici e prolunga la vita utile della membrana. In una variante dello "schema classico", la salamoia di scarto dell'impianto SWRO diventa l'alimentazione dell'impianto MSF o MED, in particolare se l'acqua di mare viene addolcita dalle membrane di nanofiltrazione, utilizzando la sua alta pressione, con un turbocompressore, per potenziare la pompa di ricircolo dell'impianto MSF . In questo modo, il rapporto di conversione della pianta ibrida NF/SWRO+ MSF/MED viene notevolmente aumentato.

Prestazioni della membrana in funzione della temperatura dell'acqua di mare
Per tutte le membrane, la permeabilità all'acqua (cioè la produzione di permeato) diminuisce con il tempo di funzionamento, mentre la salinità del prodotto e la concentrazione di cloruri aumentano.

Il calo della produzione può, con il tempo, essere compensato installando ulteriore spazio nel rack per membrane e installando membrane aggiuntive secondo necessità. L'aumento della salinità del prodotto non può essere compensato se non con la sostituzione su larga scala della membrana. Nel caso di sistemi ibridi (RO + distillazione), è possibile specificare un sistema RO a passaggio singolo mantenendo una lunga durata della membrana.

Ciò è reso possibile miscelando l'acqua del prodotto RO con l'acqua distillata ad alta purezza prodotta dall'unità di desalinizzazione termica.

L'uso di tutta o parte dell'acqua di raffreddamento dell'acqua di mare preriscaldata scaricata da un impianto di desalinizzazione termica come alimentazione ad un impianto SWRO consente di elevare e controllare la temperatura operativa dell'impianto SWRO al suo valore ottimale o qualsiasi altro valore desiderato superiore. Altrettanto importante elimina la necessità di costruire una nuova struttura di presa e scarico, come dimostrato dalle espansioni di 30 MIGD Seawater RO negli impianti di Fujairah I e Kuwait Az-Zour South.

La temperatura dell'acqua di alimentazione influenza le due principali caratteristiche prestazionali di una membrana: flusso e reiezione salina. Temperature dell'acqua di alimentazione più elevate aumentano non solo il flusso ma anche il passaggio del sale. Per tutte le membrane, la produzione di acqua è funzione della temperatura, a pressione di alimentazione costante. La produzione aumenterà con un aumento della temperatura dall'1,5% al ​​3% per grado Celsius per quasi tutte le membrane, consentendo così la riduzione del numero di moduli di membrana RO richiesti per una data capacità di permeato. Ciò è, naturalmente, subordinato all'acqua di alimentazione di qualità sufficiente in modo che il tasso di incrostazione della membrana non aumenti durante il funzionamento a flusso più elevato. I risultati implicano che il consumo energetico di RO può essere ridotto utilizzando una semplice integrazione della disposizione ibrida MSF/RO in cui l'impianto RO viene alimentato con l'acqua di mare preriscaldata respinta dalla sezione di smaltimento del calore MSF.

È abbastanza ovvio che si può ottenere un recupero più elevato con un'alimentazione a salinità inferiore, il che ha chiare implicazioni di processo quando consideriamo la nanofiltrazione davanti al sistema RO o l'uso della miscelazione dell'alimentazione di acqua di mare con acqua a salinità inferiore (concentrato di RO salmastra, ad esempio) per abbassare la salinità dell'alimentazione al sistema RO.

Una maggiore permeabilità della membrana a temperature elevate può anche comportare un tasso di recupero più elevato. Tuttavia, una temperatura dell'acqua di alimentazione e un tasso di recupero più elevati sono associati a un aumento della pressione osmotica. Il permeato TDS aumenta sistematicamente all'aumentare della temperatura di alimentazione e del tasso di recupero. Fortunatamente, questo aumento di salinità può essere facilmente compensato nei sistemi ibridi (RO + unità di desalinizzazione termica) in cui il rapporto tra acqua distillata e permeato di membrana può essere controllato per ottenere il prodotto TDS richiesto.

L'aumento del tasso di recupero a pressione di alimentazione costante a temperatura aumentata in un sistema ibrido RO porta alla riduzione del consumo di energia specifico. Alcuni critici della maggiore temperatura di funzionamento delle membrane RO e NF suggeriscono un tasso più elevato di incrostazioni dovuto all'aumento delle attività biologiche. L'aumento della temperatura dell'acqua di mare, che avviene all'interno del condensatore o della sezione degli scarti dell'impianto di distillazione, viene raggiunto in pochi secondi. Il presupposto è che questo rapido aumento della temperatura si traduca in uno shock termico, che potrebbe ridurre l'attività biologica nell'alimentazione dell'acqua di mare all'unità a membrana.

Un altro motivo di preoccupazione è la compattazione del materiale della membrana (riduzione della permeabilità) durante il funzionamento a lungo termine ad alta pressione di alimentazione e temperatura elevata. Oggi la temperatura massima per il funzionamento continuo per la maggior parte della membrana è di 40º C, ma chiaramente abbiamo bisogno di membrane in grado di funzionare in continuo sopra i 50º C. Tali membrane per l'acqua di mare saranno sviluppate in vista che in estate in alcune località del Golfo come a Dubai, negli impianti DEWA (Dubai Electricity and Water Authority) l'acqua di mare in ingresso può superare i 42º C.

Ibrido che utilizza la nanofiltrazione - rammollimento della membrana
Oggi, il lavoro pionieristico sulla tecnologia di addolcimento NF a membrana di nanofiltrazione applicata ai processi di desalinizzazione e in particolare alla desalinizzazione dell'acqua di mare è in fase di sviluppo da parte di due gruppi: Leading Edge Technologies Ltd (LET) e Saline Water Conversion Corporation (SWCC) dell'Arabia Saudita.

Il grande potenziale della tecnologia di addolcimento della membrana di nanofiltrazione è stato messo in evidenza da un recente premio da parte della Sharjah Electricity and Water Authority (SEWA) a LET e Besix Consortium per il primo sistema di nanofiltrazione LET commerciale per aumentare la capacità di un impianto MSF esistente da 22 nominali, da 7000 m3/giorno a 32.800 m3/giorno. Questo aumento di oltre il 40% della capacità dell'unità di MSF è stato il risultato di un programma di dimostrazione e simulazione di due anni sviluppato congiuntamente con SEWA.

La tecnologia di addolcimento della membrana NF potrebbe migliorare significativamente il funzionamento e ridurre il costo del processo MED, eliminando il rischio di incrostazioni e incrostazioni. La tecnologia NF consentirà un aumento della temperatura superiore con conseguente aumento significativo della potenza e del rapporto di prestazione.

Dissalazione alimentata rinnovabile
Questo mi porta a una discussione sull'uso dell'energia rinnovabile e in particolare dell'energia solare in combinazione con impianti di desalinizzazione avanzati. MASDAR ad Abu Dhabi, KA CARE (King Abdullah City for Atomic and Renewable Energy) in Arabia Saudita e molti centri di ricerca e sviluppo in tutto il mondo stanno sviluppando tecnologie per sostituire i combustibili fossili, ridurre al minimo l'impronta di carbonio e ridurre i costi di desalinizzazione.

Una di queste proposte si rivolge al MED avanzato combinato con l'energia solare. Il processo MED funziona solo con la temperatura massima della salamoia compresa tra 64°C e 75°C a seconda della salinità dell'acqua di mare per evitare la deposizione di incrostazioni sulle superfici di trasferimento del calore. Pertanto l'approvvigionamento energetico può avvenire a bassa temperatura sotto forma di acqua calda o salamoia calda a meno di 90°C o vapore a bassa pressione di 0,35 bar. Pertanto l'unica energia elettrica richiesta per il funzionamento delle pompe di processo sarà inferiore a 1,4 kWh/m3.

La conservazione delle risorse e l'impatto ambientale sono aspetti che devono essere considerati quando si progettano sistemi ibridi Il ridotto consumo di energia primaria (combustibile) quando si accoppia l'osmosi inversa con i processi termici in una configurazione ibrida consente di risparmiare dal 30% al 40% rispetto agli impianti di riferimento (caldaia per il riscaldamento e centrale elettrica a turbina a condensazione per l'energia elettrica).

CO₂parimenti, le emissioni di un impianto a ciclo combinato alimentato a gas con una corrispondente quota SWRO sono sostanzialmente inferiori rispetto a quelle di un ciclo convenzionale. A mostrare una sostanziale riduzione è la dissipazione del calore da un impianto ibrido al mare rispetto alla configurazione convenzionale ciclo termico/SWRO.

Negli ultimi anni, la considerazione dell'impronta di anidride carbonica avrà un impatto significativo nel giustificare gli impianti ibridi nel Golfo. Molti degli impianti di distillazione esistenti si stanno avvicinando alla vita di progetto di 25 anni. I proprietari devono considerare l'estensione della vita con un ulteriore miglioramento della capacità e dell'efficienza degli impianti di desalinizzazione.

New technologies using Nanofiltration, softening membranes of seawater and integrated upgrading of distillation plants can raise top operating temperature and increase the design production from existing plants by over 40%. Such rehabilitation and upgrading minimizes the environmental impact and produces more critically needed water without building new intake –outfall structures and new power plants.

La combinazione di processi e tecnologie di dissalazione termica ea membrana all'interno di un singolo impianto o in schemi di impianti ibridi può ridurre i costi dell'acqua dissalata, in stazioni a duplice scopo; aggiungere flessibilità e abbinare meglio la domanda alla produzione combinata di acqua ed elettricità; e, soprattutto, ridurre al minimo l'impatto ambientale degli impianti di dissalazione elettrica.

Leon Awerbuchè presidente di Leading Edge Technologies e direttore dell'International Desalination Association, decano dell'IDA Desalination Academy e co-presidente dei programmi tecnici di IDA. Detiene 28 brevetti e divulgazioni e ha pubblicato oltre 90 articoli tecnici. E-mail:letleon@comcast.net

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Casi studio di impianti esistenti

Ibrido di Gedda

Il primo semplice schema di impianti ibridi è stato adottato a Jeddah I e II in Arabia Saudita per miscelare il permeato RO TDS più elevato con il distillato proveniente dagli impianti MSF esistenti. I risultati del lavoro concettuale e di progettazione hanno portato alla costruzione del semplice progetto ibrido negli impianti di Jeddah 1, fase I e II. L'impianto di Jeddah 1 RO è di 30 mgd (113.600 m3/giorno) combinando la Fase I, che è in funzione dal 1989, e la Fase II, che è in funzione dal marzo 1994. L'impianto è di proprietà di Saline Water Conversion Corporation (SWCC), progettato da Bechtel e costruito da Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Il funzionamento e l'analisi dell'impianto, che utilizzava moduli RO a fibra cava di tipo Toyobo Hollosep a doppio elemento, indicano che la durata della membrana è stata estesa a oltre 10 anni. Oltre a 136.380 m3/giorno di RO permeato, il complesso di Jeddah produce 363.380 m3/giorno di distillato da Jeddah II, III e IV e 924 MW di elettricità. L'impianto di Jeddah I RO ha adottato con successo un metodo di iniezione intermittente di cloro (ICI) per prevenire la degradazione della membrana mediante reazione di ossidazione e biofouling.

Fujaira II
Il più grande impianto ibrido MED-RO è il progetto di desalinizzazione Fujairah II, realizzato da SIDEM e Veolia e fornisce 591.000 m3/giorno di acqua. Lo sviluppo Greenfield sta anche producendo 2000 MW di potenza. Utilizzerà cinque turbine a gas Alstom GT26 ad alta efficienza in modalità ciclo combinato e 12 unità di dissalazione Multi Effect Distillation SIDEM da 37.730 m3/giorno con un impianto di desalinizzazione RO.

Ras Al-Khair
Il più grande impianto di dissalazione operativo al mondo era stato in precedenza l'impianto di dissalazione termica Shoaiba 3 da 880.000 m3/giorno in Arabia Saudita. Questo è stato spostato nell'aprile 2014 quando l'impianto ibrido di Ras Al-Khair è entrato in funzione. L'impianto di Ras Al-Khair, il più grande impianto di desalinizzazione dell'acqua di mare al mondo, per il quale Doosan si è aggiudicata l'ordine di costruzione nel settembre 2010 dalla Saline Water Conversion Corporation, produce 1.036.000 m3/giorno, sufficienti a soddisfare il fabbisogno idrico giornaliero di circa 3,5 milioni di persone. L'impianto ha prodotto la sua prima acqua dolce all'inizio di quest'anno, anche se il completamento del progetto era previsto per dicembre 2015. Essendo il più grande impianto ibrido del mondo, il progetto utilizza sia la tecnologia a membrana (osmosi inversa, RO a 309.360 m3/giorno) sia la tecnologia termica ( evaporazione flash multistadio, MSF con una capacità di 727.130 m3/giorno). Questo impianto dispone anche dei più grandi singoli treni MSF composti da otto unità con una capacità di oltre 91.000 m3/giorno ciascuna. L'impianto RO dispone di 17 treni. L'impianto di Ras Al-Khair è a duplice scopo con una capacità di produzione di esportazione di 1.025 milioni di m3/giorno di acqua desalinizzata e una capacità di produzione di energia elettrica di 2.400 MW, fornendo 1.350 MW per il Maaden Aluminium Complex, 1.050 MW per la Saudi Electricity Company e circa 200 MW per autoconsumo in loco.

Facility D Hybrid di Kahramaa in Qatar
Le offerte sono presentate per l'ultimo progetto ibrido IWPP da Qatar General Electricity and Water Corporation-Kahramaa. L'impianto deve essere progettato per una potenza dell'impianto compresa tra 2400 MW ±5% e per una capacità idrica dell'impianto compresa tra 591.000 m3/giorno ±5% di cui da 182.000 a 273.000 m3/giorno con RO tecnologia di desalinizzazione e bilancia con tecnologia MSF/MED. Questa sarebbe la più alta percentuale di RO nel sistema ibrido, sottolineando l'equilibrio ottimale tra membrana e processi termici. Questa sarebbe l'ultima dimostrazione su larga scala dei vantaggi dell'ibrido.